自激振荡脉冲水射流割缝新技术在逢春煤矿石门揭煤中的应用研究

1、自激振荡脉冲水射流割缝新技术在逢春煤矿石门揭煤中的应用研究卢义玉，葛兆龙，李晓红，左伟芹，刘勇，王晓川，陆朝晖虫庆人学西南资源开发及环境灾吉控制匸程教育部重点实验室.車庆.400044:摘要：针对西南地区煤矿石门揭煤周期长严重制约 J煤矿安全生产和采攔匸作面接替等问题.提出了利用自激 振荡脉冲水射流在煤层中割缝，增加煤层透气性.提商瓦斯解吸率，缩短石门揭煤时间的新思路研处 J商斥脉 冲水射流自激振荡的形成机理及其特性：研尤了商压脉冲水射流的自激振荡特性对煤体裂隙率和瓦斯解吸率的影 响规律：结合西南地区石门揭煤的特殊性，设汁出了一套自激振荡脉冲水知流钻孔割缝装宜：通过实验室试验研 究供水压力、流

2、址等 I 対素与切槽深度.宽度及瓦斯解吸率的关系，优化了自激振荡喷嘴结构及商压脉冲水射流的 水力参数。通过在重庆逢春煤矿+523S4 机轨巷揭 M8 煤层应用表明.使用自激振荡脉冲水射流割缝在煤层中的影 响范用可达 l 5m 以上.増大了煤层瓦斯解吸能力，瓦斯释放虽提髙J4.4 倍，钻孔数量减少 f 60%.缩短匸期 达 70 天以上，提商了工效。关键词：自激振荡水射流：割缝：瓦斯抽放：石门揭煤Application investigation into uncovering rock cross-cut coal by self-excitedoscillation pulsed water

3、jet slotting in Feng-Chun coal mineLU Yi-yu, GE Zhaolong, LI Xiaohong. ZUO Weiqin, LIU Yong, WANG Xiaochuan, LU Zhaohui(Education Minises Key Lab for die Exploitation of Southwestern Resources & Environmental Disaster ControlEngineering, Chongqing University, Chongqing, 400044,China)Abstract： Th

4、e long period of rock cross-cut coal uncovering seriously impairs the safety of coal mining production andrestricts driving face supcrsedure in mine of southwest China To solve the problem, a new idea using self-excitedoscillation pulsed water jet slotting is proposed to improve the permeability of

5、seam, increase the gas desorption rate, andshortens the cycle of rock cross-cut coal uncovering Forming mechanism and characteristics of self-excited oscillationpulsed water jet, the effecting properties on cracked ratio of coal mine and the gas desorption rate are studied. Based on theparticularity

6、 of rock cross-cut coal uncovering in southwest China, the device for drilling and slotting with self-excitcdoscillation pulsed waterjet is designed The hydraulic parameters of self-excited oscillation pulsed water jet and theself-excited oscillation nozzle structure are optimized by studying the pu

7、mp pressure, flow rate, and their relationship withthe depth and width of cutting and the gas desorption rate Through application on Feng-Chun coal mine, the results showthat the influent scale range of self-excited oscillation pulsed water jet reaches to 1.5m or more in coal seam, and theamountof g

8、as adsorption increases by 4.4 times The efficiency of coal mining productionis increased by reducingamountof drilling holes by 60%, and shortening constmction period by more than 70 days.Key words: self-excited oscillation pulsed waterjet; slotting; gas drainage; rock cross-cut coal uncovering(引言石门

9、揭煤是一项危险性大、技术难度髙的工作，往往成为制约矿井合理采掘部署的瓶颈问题。根据统 汁资料，重庆地区在国内是大中型煤矿煤与瓦斯突出最为严重的地区，矿井最大突出强度(上千吨的特大 型煤与瓦斯突岀)多数发生在石门揭煤工作而。南桐矿务局发生特大型煤与瓦斯突岀 8次，其中石门揭煤 工作面发生 6 次，占特大型煤与瓦斯突出的 75%,最大突岀强度 8750次，瓦斯涌出量 140 万 m3。石门揭 煤突岀危险性比掘进工作面、回采工作面要严重得多。它的突出强度大、瓦斯涌出量多、突岀瓦斯波及范 【羽广，危害严重的特点给矿井职工的生命安全带来极大的威胁，而且给国家财产造成巨大的损失。基金项目：国家自然科学基金

10、委4项创新研究群体基金项目(50621403)：虫庆市科委自然科学基金(CSTC.2OO6BA4O11)作者简介：卢义玉(1972-).男湖北京山人.更庆大学教授.博上生导师。Tel:Email: 多年来，重庆地区针对不同地质条件的煤田、不同煤层、不同突出危险性的石门揭煤工作而已形成水 力冲孔、排放钻孔、预抽瓦斯、渐近法防突技术、金属计架、直眼深孔全断面爆破技术、直接采用振动 爆破等石门揭煤防突技术措施。起到了一泄的防突作用，但这些措施工艺复杂，揭煤工期过长（一般超过六 个月），严重影响矿井安全生产和正常接替。因此，迫切需要研究严重突岀煤层石门快速揭煤新技术，在保

11、障矿井安全生产的基础上，缩短揭煤时间，缓解矿井接替紧张局而。本文拟研究自激振荡脉冲水射流及其破煤的压力效应和动力效应；通过实验室试验探讨水力压力、切 槽深度及宽度等与松软煤层裂隙率之间的相互关系，优化水力参数：并应用于重庆市松藻煤电有限公司逢 春煤矿。1.自激振荡脉冲水射流应用原理1.1自激振荡脉冲水射流原理自激振荡脉冲水射流是利用水射流的不稳左流动特性，通过调整连续水射流的流动参数和结构参数， 对水射流的涡量扰动进行闭环反馈和放大，将连续水射流改变为压力脉动的冲击式水射流，水射流作用在 靶体材料上的力为按一左频率周期性变化的髙频冲击载荷。试验和现场应用证明，这种冲击力是连续水射 流滞止压力的

12、1.5-2.5倍，大大地提高了对靶体材料的冲蚀破坏作用卧回。1.2自激振荡脉冲水射流的割缝原理在自激振荡脉冲水射流沿煤层割缝过程中，由于自激振荡脉冲水射流的冲击作用、振荡作用、准静压 作用和物理作用，一方而使煤岩计架应力变化，导致煤体特性（如弹性模量、强度和渗透率等）变化，从 而影响割缝煤体内瓦斯的流动和压力分布：列一方而瓦斯运移状态的变化又引起煤体朴架应力状态的变化。自激振荡脉冲水射流冲击产生应力波，被冲击区在强大应力波作用下处于绝对受压状态，当射流冲击 煤体的压缩波传播到煤体的自由表而时，煤体所受到的应力从入射时的压缩应力变成全反射时的拉伸应力, 当拉伸应力超过部分低强度煤体的拉伸强度时，

13、就促使煤体发生拉伸破裂，形成裂隙。这种应力波对瓦斯渗流有两方而影响：一是导致煤体原始应力分布状态完全改变，应力变化引起煤体 裂隙发生变化，同时当瓦斯解析时，煤炭颗粒的表面张力增加，煤体就会收缩，其体积变小，增大了裂隙、 孔隙的尺寸：另一方而，裂隙率变化会引起瓦斯渗透系数的变化。冲击产生的应力波以地丧波形式传播， 引起煤体变形的震动效应，使得裂隙内瓦斯原有的等温、等压平衡状态被打破，造成裂隙内瓦斯的波动， 波动会引起温度升高一即热效应，这将加剧瓦斯的解吸：同时瓦斯的波动将引起裂隙局部的振动，波动引 起的热效应和振动随应力波的强弱变化。煤层实施割缝后，不仅增大了瓦斯溢岀的自由而，且由于煤体的破裂，

14、在切割缝的周用形成较大范围 的高渗透裂隙区，从而更大幅度的增加了瓦斯的运移通道，使得在瓦斯抽采初期具有较大的瓦斯抽采速度。2.实验室试验优化水力参数实验室切割煤样是从重庆松藻煤电公司逢春煤矿现场采集的，将采集的煤块放入木箱内，然后用水泥 进行包裹以防止其碎裂。煤块的坚固性系数为 0.35,自激振荡喷嘴以 10mni/s 的速度移动。在试验中采取 调节靶距和泵压来研究切割效果。从试验结果可以看出，随着靶距的增加，冲蚀体积率逐渐增加，靶距增加到 10dl时，冲蚀体积率达到 最大值，后随着靶距的增加，冲蚀体积率开始下滑，因此，本次试验确泄 10dl为最优靶距。另一方而，如 图 3所示，当水压提高到

15、20MPa以上时，切割深度便达到 1.5m以上，能够保证提髙煤层透气性。3.在逢春煤矿石门揭煤中的应用研究3.1逢春煤矿试验3.1.1试验设备及连接实验装置布置示意图如图 1 所示。抑踏阀图 1装昼连接示意图FigL Sketch map of device connection3.1.2实验地点水文地质条件逢春煤矿实验选在+523S4机轨巷 M8 煤层底板 2m垂距处进行。该区域煤层平均倾角 50。，平均倾向 297,M6-3煤层厚 0.75m、M8 煤层厚 1.61m.M7-2 煤层厚 1.07m.地面标高 9907052m,M8. M7-2煤层揭煤点埋深 467m。M9 煤层与 M8 煤

16、层层间距变化较大，M8煤层厚度变化较大（变薄），分析 M8 煤 层处受断层影响严重。该区域煤层瓦斯含量：煤层为 23.47 n?/t： M7-2煤层为 18.31 n?/t； M9煤层为 18.21m%，均具有煤与瓦斯突岀危险。实验区域由茅口石灰岩向煤系掘进，岩性主要为石灰岩、砂质泥岩、 泥岩、砂岩、泥灰岩及煤层，煤层顶底板以砂质泥岩、泥岩为主，煤岩石层位基本正常。3.1.3割缝钻孔设计及试验结果分析根据已经收集的逢春煤矿的水文地质资料和以往石门揭煤瓦斯抽采的相关数据设计了现场试验方案, 共设计 9 个钻孔。倾斜煤层割缝示意图如图 2 所示。图 2 煤层割缝示意图Fig 2. Sketch m

17、ap of coal seam slotting（1）割缝时瓦斯解析量我们将自激振荡脉冲水射流割缝时的回风瓦斯情况进行了记录，然后计算了割缝时的瓦斯解吸量，最 后我们将其与未割缝前施工检验孔的瓦斯解吸量分别做了比较，详见图 3、4.削缝孔未割缝d由图 3可以看岀，煤层在自激振荡脉冲水射流的作用下.瓦斯释放通道增大，煤层暴亦面积增加，瓦 斯解吸蜀大幅度增加，比割缝前自然排放时提高了 293%，瞬时平均瓦斯纯量为 0 6iW/mim由图 4可以看 出割缝时瓦斯浓度比割缝前施工检脸钻孔时提髙了 220%,可见瓦斯解吸效果明显提高。（2）割孔后瓦斯情况在完成自激振荡脉冲水射流割缝后，回风瓦斯 0 18

18、0 35 治 瓦斯排放虽:为 362.9-625图 5 割缝后瓦斯排放量曲线图图 6 割缝后平均瓦斯浓度变化图Fig 5. Curve of methane emissions quantity after slotting Fig 6. Changes of the average gas concentration after slotting由图 5,图 6可以看岀， 自激振荡脉冲水射流割缝完成后， 钻孔自然排放， 瓦斯排放量平均达 0.342n?/min,而割缝前仅为 0.128m3/min,瓦斯排放量提髙 170%,可见自激振荡脉冲水射流割缝后采取自 然排放，其瓦斯排放效果非常明显。

19、（3）突出危险性检测情况自激振荡脉冲水射流割缝完成两天后，采用钻屑瓦斯解吸特征指标法对割缝效果进行了检验，共施工 5个检验钻孔，在施工检验钻孔过程中，有 3 个钻孔无阻力，进入自激振荡脉冲水射流割缝影响范用内， 另两个钻孔测得 Klmax=0.47, Smax=4.3Kg,详见表 1。表 1 检验结果情况表Table 1 Test results in table孔号KlmaxSmax (Kg)现歛1空缝无钻屑返出2空缝无钻屑返出30.293.7无40.474.3轻微喷孔5空缝无钻屑返出由表 1 可以看出，瓦斯解吸指标 K1值、钻屑 MSmax 均不超标，说明自激振荡脉冲水射流割缝具有较 好的

20、消突效果，同时 3 个钻孔打到空隙中，进一步证明了自激振荡脉冲水射流割缝对煤层具有扩孔作用。m孔 未割縫孔0. so0. GO0. 400. 200. 00lllllllll123456789孔号話hill山图 3 割缝孔与检验孔分钟瓦斯解吸量对比图Fig 3 Comparison chart of gasses resolve quantity perminute of slotted-holes and test-holes图 4 割缝孔与检验孔平均瓦斯浓度对比图Fig 4. Comparison chart of average gas concentrationof slotted-h

21、oles and test-holes7006005001003002001000501001502000. 150. 05排放时间（h）孔号0. 350.30. 25100册放时间(4) 自激振荡脉冲水射流割缝影响范围根据检验钻孔和割缝钻孔的参数确泄其相对位置，经计算检验钻孔和自激振荡脉冲水射流割缝钻孔的 距离见表 2。表 2 检验孔与割缝钻孔终孔间距表Table2 bottom space between proof tesf holes and slotted holes检验孔参数水力割缝钻孔参数终孔间距(m)最小孔间距(m)孔 号方向角()仰角()孔深(m)孔V方向角()仰角()孔深(

22、m)113-1321I#10-12200.740.745#8-719.63.08211919.76#4-4224.061.55#8-719.61.5031 716.77#-2 9236.216.218#-14-625.810.5442-1234.53#1-1224.69.017.974# 6-1224.77.9755-13212#5-1221.50.560.563#-1-1224.6431通过表 2 可以看出，当检验孔与自激振荡脉冲水射流割缝钻孔间距小于 1.5m时，检验孔无钻屑返出， 说明自激振荡脉冲水射流割缝产生的裂隙范围在 1.5m以上，2#检验钻孔进入了 6#割缝钻孔产生的裂隙中 (前面通过钻屑最汁算扩孔后孔径平均为644mm)o当孔间距达到 7.97m以上时，检验孔出现轻微喷孔， 说明该检验孔在自激振荡脉冲水射流割缝的消突范围外。4.结论(1) 将自激振荡脉冲水射流防突技术应用于西南高瓦斯低透气性煤层石门揭煤中，